CN115549485B - 一种模块化直流变压器拓扑及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种模块化直流变压器拓扑及其控制方法，拓扑一个是含集成交错并联Buck/Boost的模块化DAB电路，由两个输入高压侧分压电容、两个高压侧半桥模块阀组、两个桥臂电感、一个高频变压器、低压侧全桥模块、两个Buck/Boost电感、一个中间级电容和输出低压侧电容组成。其中全桥模块与交错并联Buck/Boost实现器件复用，可有效提高功率密度和转换效率。该拓扑结合了模块均压控制和脉宽/移相调制，一方面通过采样各个半桥子模块的电容电压进行排序后分配驱动信号，实现每个半桥模块阀组内部子模块的电压均衡，使阀组上的电压呈现相同的准方波；另一方面，通过脉宽/移相调制在使得桥臂电感两端实现电压匹配的同时实现功率传输。
Description
技术领域
本发明属于发电、变电或配电的技术领域，特别涉及一种模块化直流变压器拓扑及其控制方法。
背景技术
随着光伏、风能等可再生能源成本的不断降低以及直流输配技术的迅速发展，高压大功率直流变压器近年来获得越来越多的关注。MMC结构因具有模块化、故障处理能力良好等优点广泛运用于高压直流输电及电力电子变压器等场合。特别是基于MMC结构的DAB拓扑有大量学者进行研究，并对该类型装置功率密度低、输入电压范围小等特点提出了多种改善方法。
专利(陈武,姚金杰,舒良才,金浩哲,史明明,袁宇波,刘瑞煌,姜云龙,苏伟,司鑫尧,孙天奎.一种直流变压器拓扑及其控制方法[P].江苏省：CN112421959B,2022-02-01.)提出了一种基于MMC结构设计的直流变压器，并在扩大输入电压范围和提高了功率密度获得了一定的优势，但仍存在两个方面的缺点；
1)高压侧输入电感需要特别大，且隔直电容也需具备高耐压、高容值的特点，为满足参数要求，输出电感与隔直电容的体积无法明显缩减，功率密度仍有提高裕量；
2)控制方式相对复杂，为实现改善输入电压范围小的缺点，SM模块驱动信号需根据高压侧输入电压大小先分为全开、半开、全关三种类型，之后再进行驱动信号与SM模块匹配，降低了装置的可靠性。
专利(陈武,金浩哲,舒良才,曲小慧,梅军,雷家兴,曹武.一种模块化多电平直流变压器拓扑结构及其控制方法.江苏省：CN113472212B,2022-05-24.)提出的拓扑结构通过控制半桥模块阀组与全桥模块的输出电压可实现高压直流端口与低压直流端口间的功率交换，直流变压器拓扑结构仅使用少量的半桥，实现直流电压变换，提高直流变压器的可靠性，降低直流变压器成本；通过控制实现低压侧全桥模块开关管零电流关断，提升变换效率与功率密度，但仍存在一些缺点；
该装置的电路设计思路是同时利用MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)结构和ISOP(Input Series Output parallel，输入串联输出并联)结构，故元器件数量很大，特别是多个输入电感、隔直电容和全桥模块的使用，由于输入电感和隔直电容的体积难以减小，同时开关管的增多势必导致传输效率的减少。
发明内容
为改善上述问题，并充分考虑成本、系统可靠性和损耗等因素后，本发明提出了一种模块化直流变压器拓扑及其控制方法，该拓扑在设计上去除了输入电感和隔直电容，同时全桥模块与交错并联Buck/Boost实现器件复用，有效增加了功率密度，同时使用交错并联Buck/Boost电路实现扩大范围输入电压，此外在所提出的控制方式下，本装置可同时实现电压匹配和功率调节，并在选择合适参数所有开关管都可在所有工况下可实现零电压开通。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种模块化直流变压器拓扑，所述模块化直流变压器为一个含集成交错并联Buck/Boost的结构DAB电路，其特征在于，包括两个输入高压侧分压电容CH1和CH2、两个高压侧半桥模块阀组、两个桥臂电感Larm1和Larm2、降压比为n的高频变压器Thf，低压侧全桥模块、两个Buck/Boost电感Ld1和Ld2、一个中间级电容CM和一个输出低压侧电容CL；所述两个高压侧半桥模块阀组分别是N个子模块SM1～SMN模块串联组成的上半桥模块阀组和N个子模块SMN+1～SM2N模块串联组成的下半桥模块阀组；所述低压侧全桥模块由一个超前桥臂和滞后桥臂组成，所述超前桥臂由第一开关管Q1和第二开关管Q2正向串联组成，滞后桥臂由第三开关管Q3和第四开关管Q4正向串联组成，两个桥臂正向并联；
所述MMC结构DAB电路的输入高压侧分压电容CH1和CH2串联接到高压侧输入端VH的正负极，在上下两个半桥模块阀组之间接入桥臂电感Larm1和Larm2，而后作为整体与输入高压侧分压电容CH1和CH2正向并联；输入高压侧分压电容CH1和CH2的连接点B和桥臂电感Larm1和Larm2的连接点C通过高频变压器Thf的原边连接；高频变压器Thf副边分别连接第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点D和第三开关管Q3和第四开关管Q4的连接点E，全桥模块与中间级电容CM正向并联；
所述MMC结构DAB电路的输出端VM作为交错并联Buck/Boost电路的输入端，且全桥模块可与MMC结构DAB电路实现器件复用；第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点D经Buck/Boost电感Ld1连接至输出低压侧电容CL，第三开关管Q3和第四开关管Q4的连接点E经Buck/Boost电感Ld1连接至输出低压侧电容CL。
本发明提供一种模块化直流变压器拓扑的控制方法，具体步骤如下：
利用模块均压控制和脉宽/移相调制的优势；一方面对半桥模块阀组采取模块均压控制通过采样阀组内部各个SM模块电容电压进行排序后分配驱动信号，来实现SM模块电容电压均衡，使阀组上的电压呈现相同的准方波，进而保证A1、B和A2、B之间的电压为无直流分量的准方波；另一方面，对全桥模块采取脉宽/移相调制，可同时实现桥臂电感Larm1和Larm2两端电压匹配和功率调节。
作为本发明控制方法进一步改进，所述的模块均压控制，具体如下，SM模块内部的两个开关管具有相同的占空比0.5，且相位相差180°；每个SM模块间存在一个移相角，阀组内部任意两个相邻的驱动信号之间的移相角为θ，两个驱动信号之间的最大移相角为dN，上下两个半桥模块阀组之间的驱动信号相位相差180°；通过采样SM模块电容的电压值与电压变化值，将引起电压变化最大的驱动信号g给到电压最低的SM模块，电压变化第二大的驱动信号g给到电压第二低的SM模块，并以此类推。
作为本发明控制方法进一步改进，所述的脉宽/移相调制的优势，具体如下，第一开关管Q1和第三开关管Q3具有相同的占空比d，且相位相差180°，同一桥臂的两个开关管驱动信号互补；分别通过第一开关管Q1的驱动信号与半桥模块阀组驱动信号的移相角和占空比d对中间级电压VM和低压侧输出电压VL进行控制，可同时实现桥臂电感Larm1和Larm2两端电压匹配和功率调节。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，
1)相比传统MMC结构DAB电路，该拓扑不仅保持了模块化、故障处理能力良好等优点，同时去除了大体积的输入电感和隔直电容，且全桥模块与交错并联Buck/Boost实现了器件复用，进一步增大了功率密度；
2)本拓扑利用电路集成的优势，在少量增加元器件数量的条件下利用集成的交错并联Buck/Boost电路的优势克服了传统MMC结构DAB电路的小输入电压范围的缺点；
3)控制方式更加简单。在控制方法上，对中间级电压VM和低压侧输出电压VL两个被控量进行解耦，进而可以同时实现桥臂电感Larm1和Larm2两端电压匹配和功率调节控制，提高了装置的可靠性；
4)在此控制方法下，通过选择合适参数，可实现所有工作范围的开关管零电流开通，有效提高了传输效率。
附图说明
图1是本发明的主电路；
图2是该模块化直流变压器的控制框图；
图3是该模块化直流变压器的MMC结构推导过程；
图4是N＝3时半桥模块阀组驱动信号下vAB1和vAB2的电压与近似电压vAB；
图5是N＝3时该模块化直流变压器在工况一下的主要波形；
图6是N＝3时该模块化直流变压器在工况二下的主要波形；
图7是N＝3时该模块化直流变压器在工况三下的主要波形；
图8是N＝3时该模块化直流变压器在工况四下的主要波形；
图9是在不同占空比d下传输功率P与移相角的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施方案：参见图1，是模块化直流变压器的主电路，由一个含集成交错并联Buck/Boost的MMC结构DAB电路，包括两个高侧分压CH1和CH2、两个高压侧半桥模块阀组、两个桥臂电感Larm1和Larm2、降压比为n的高频变压器Thf，低压侧全桥模块、两个Buck/Boost电感Ld1和Ld2、一个中间级电容CM和一个输出低压侧电容CL；所述两个高压侧半桥模块阀组分别是N个子模块SM1～SMN模块串联组成的上半桥模块阀组和N个子模块SMN+1～SM2N模块串联组成的下半桥模块阀组；所述低压侧全桥模块由一个超前桥臂和滞后桥臂组成，所述超前桥臂由第一开关管Q1和第二开关管Q2正向串联组成，滞后桥臂由第三开关管Q3和第四开关管Q4正向串联组成，两个桥臂正向并联。所述MMC结构DAB电路构成为输入高压侧分压电容CH1和CH2串联接到高压侧输入端VH的正负极，在上下两个半桥模块阀组之间接入桥臂电感Larm1和Larm2，而后作为整体与输入高压侧分压电容CH1和CH2正向并联；输入高压侧分压电容CH1和CH2的连接点B和桥臂电感Larm1和Larm2的连接点C通过高频变压器Thf的原边连接；高频变压器Thf副边分别连接第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点D和第三开关管Q3和第四开关管Q4的连接点E，全桥模块与中间级电容CM正向并联。所述交错并联Buck/Boost电路构成为MMC结构DAB电路的输出端VM作为交错并联Buck/Boost电路的输入端，且全桥模块可与MMC结构DAB电路实现器件复用；第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点D经Buck/Boost电感Ld1连接至输出低压侧电容CL，第三开关管Q3和第四开关管Q4的连接点E经Buck/Boost电感Ld1连接至输出低压侧电容CL。该模块化直流变压器采用模块均压控制和脉宽/移相调制，其控制框图如图2所示。一方面对半桥模块阀组采取模块均压控制通过采样阀组内部各个SM模块电容电压进行排序后分配驱动信号，来实现SM模块电容电压均衡，使阀组上的电压呈现相同的准方波，进而保证A1、B和A2、B之间的电压为无直流分量的准方波；另一方面，对全桥模块采取脉宽/移相调制，可同时实现桥臂电感Larm1和Larm2两端电压匹配和功率调节。所述模块均压控制为SM模块内部的两个开关管具有相同的占空比0.5，且相位相差180°；每个SM模块间存在一个移相角，阀组内部任意两个相邻的驱动信号之间的移相角为θ，两个驱动信号之间的最大移相角为dN，上下两个半桥模块阀组之间的驱动信号相位相差180°；通过采样SM模块电容的电压值与电压变化值，将引起电压变化最大的驱动信号g给到电压最低的SM模块，电压变化第二大的驱动信号g给到电压第二低的SM模块，并以此类推。所述模脉宽/移相调制为第一开关管Q1和第三开关管Q3具有相同的占空比d，且相位相差180°，同一桥臂的两个开关管驱动信号互补；分别通过第一开关管Q1的驱动信号与半桥模块阀组驱动信号的移相角和占空比d对中间级电压VM和低压侧输出电压VL进行控制，可同时实现桥臂电感Larm1和Larm2两端电压匹配和功率调节。
模块化直流变压器的MMC结构推导过程如图3所示。在未加入MMC结构前，变压器原边为一个倍压电路通过一个功率电感Llk连接至高频变压器Thf原边。当输入端为高压直流且传输功率很大时，开关管的电压应力和电流应力较大，在实际应用中开关管选型困难且装置可靠性显著降低。此时可选择MMC结构的半桥模块阀组代替开关管，同时为了防止SM模块中电容接入时所产生的瞬时大电流对电路可靠性造成影响需增加桥臂电感，故可用两个桥臂电感Larm1和Larm2取代功率电感Llk，由于桥臂电感Larm1和Larm2为并联关系，故Larm1＝Larm2＝2Llk。图4展示了当N＝3时在模块均压控制下A1、B和A2、B两端的电压以及将两个桥臂电感Larm1和Larm2合并成一个功率电感Llk的后A、B之间的电压。由于上半桥模块阀组与下半桥模块阀组的驱动型号完全相反，则vAB1、vAB2的波形为两个完全相同的无直流分量的准方波信号，进而其简化后的电压vAB也与其波形完全一致，即vAB＝vAB1＝vAB2。此外，在vAB由最大值(最小值)向最小值(最大值)变化的过程中，vAB以θTs的速度阶梯上升，且阶梯数量为阀组中SM模块数N。
所提模块化直流变压器可根据移相角分为四种工况进行分析。当θ足够小，N足够大时，vAB可视为最大值(最小值)向最小值(最大值)线性变化，则在下述理论分析时，为简化分析过程可认为vAB在dNTs时间段内线性变换。
工况一本工况的主要波形如图5所示。此时原边电流ip在一个开关周期Ts内的表达式为：
由对称性可知：
工况二本工况的主要波形如图6所示。此时原边电流ip在一个开关周期Ts内的表达式为：
由对称性可知：
工况三本工况的主要波形如图7所示。此时原边电流ip在一个开关周期Ts内的表达式为：
由对称性可知：
工况四本工况的主要波形如图8所示。此时原边电流ip在一个开关周期Ts内的表达式为：
由对称性可知：
基于上述分析可求出输入功率与移相角之间的关系，传输功率P与移相角的关系曲线如图9所示。
由于全桥模块的超前桥臂开关管和滞后桥臂开关管在在一个开关周期内的电流具有对称性，则当超前桥臂的开关管可实现零电压开通，滞后桥臂的开关管也一定可以实现零电压开通，故为简化分析，在分析全桥模块的零电压开通时仅分析超前桥臂的零电压开通条件。
第一开关管Q1零电压开通条件：
将原边电流ip与交错并联Buck/Boost电感电流iLd1在第一开关管Q2开通时的电流表达式代入式(10)中可得：
对式(11)求取极值，可清楚发现则在任何工况下第一开关管Q1都可实现零电压开通。
第二开关管Q2零电压开通条件：
将原边电流ip与交错并联Buck/Boost电感电流iLd1在第二开关管Q2开通时的电流表达式代入式(12)中可得：
对式(13)求取极值，可清楚发现则在任何工况下第二开关管Q2都可实现零电压开通。
SM模块开关管的零电压开通条件为：
ip(t)＞0t∈((0.5-dN)Ts,0.5Ts) (14)
将在该时段内原边电流ip表达式代入式中可得：
对式(15)进行分析可知，当d+dN<0.5时SM模块开关管可实现零电流开通。
基于上述零电压开通分析可知，通过选择合适的dN使得d+dN<0.5成立，该模块化直流变压器的全部开关管可在所有工况下实现零电压开通。
综上所述，本发明提出了一种模块化直流变压器拓扑及其控制方法，一方面该拓扑去除了传统MMC结构中的大体积输入电感和隔直电容，且通过集成交错并联Buck/Boost电路，不仅提高了装置的功率密度，同时改善了MMC电路输入电压范围小的缺点；另一方面，该模块化直流变压器采用模块均压控制和脉宽/移相调制，不仅实现了多个被控量之间的解耦，进而可以同时实现桥臂电感Larm1和Larm2两端电压匹配和功率调节，提高了系统可靠性与稳定性，同时可通过合理设计参数实现所有工况下全部开关管的零电压开通，有效提高该模块化直流变压器的传输效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (1)
1.一种模块化直流变压器拓扑的控制方法，所述模块化直流变压器为一个含集成交错并联Buck/ Boost的MMC结构DAB电路，包括两个输入高压侧分压电容CH1和CH2、两个高压侧半桥模块阀组、两个桥臂电感Larm1和Larm2、降压比为n的高频变压器Thf，低压侧全桥模块、两个Buck/Boost电感Ld1和Ld2、一个中间级电容CM和一个输出低压侧电容CL；所述两个高压侧半桥模块阀组分别是N个子模块SM1～SMN模块串联组成的上半桥模块阀组和N个子模块SMN+1～SM2N模块串联组成的下半桥模块阀组；所述低压侧全桥模块由一个超前桥臂和滞后桥臂组成，所述超前桥臂由第一开关管Q1和第二开关管Q2正向串联组成，滞后桥臂由第三开关管Q3和第四开关管Q4正向串联组成，两个桥臂正向并联；
所述MMC结构DAB电路的输入高压侧分压电容CH1和CH2串联接到高压侧输入端VH的正负极，在上下两个半桥模块阀组之间接入桥臂电感Larm1和Larm2，而后作为整体与输入高压侧分压电容CH1和CH2正向并联；输入高压侧分压电容CH1和CH2的连接点B和桥臂电感Larm1和Larm2的连接点C通过高频变压器Thf的原边连接；高频变压器Thf副边分别连接第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点D和第三开关管Q3和第四开关管Q4的连接点E，全桥模块与中间级电容CM正向并联；
所述MMC结构DAB电路的输出端VM作为交错并联Buck/Boost电路的输入端，且全桥模块与MMC结构DAB电路实现器件复用；第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接点D经Buck/Boost电感Ld1连接至输出低压侧电容CL，第三开关管Q3和第四开关管Q4的连接点E经Buck/Boost电 感Ld2连接至输出低压侧电容CL，具体步骤如下，其特征在于：
利用模块均压控制和脉宽/移相调制的优势；一方面对半桥模块阀组采取模块均压控制通过采样阀组内部各个SM模块电容电压进行排序后分配驱动信号，来实现SM模块电容电压均衡，使阀组上的电压呈现相同的准方波，进而保证上半桥臂与桥臂电感Larm1的节点A1、B和下半桥臂与桥臂电感Larm2的节点A2、B之间的电压为无直流分量 的准方波；另一方面，对全桥模块采取脉宽/移相调制，同时实现桥臂电感Larm1和Larm2两端 电压匹配和功率调节；
所述的模块均压控制，通过选择合适的d N 使得d+d N <0.5成立，该模块化直流变压器的全部开关管可在所有工况下实现零电压开通，具体如下，SM模块内部的两个开关管具有相同的占空比0 .5，且相位相差180°；每个SM 模块间存在一个移相角，阀组内部任意两个相邻的驱动信号之间的移相角为θ，两个驱动信号之间的最大移相角为d N ，上下两个半桥模块阀组之间的驱动信号相位相差180°；通过采 样SM模块电容的电压值与电压变化值，将引起电压变化最大的驱动信号g给到电压最低的 SM模块，电压变化第二大的驱动信号g给到电压第二低的SM模块，并以此类推；
所述的脉宽/移相调制具体如下，第一开关管Q1和第三开关管Q3具有相同的占空比d，且相位相差 180°，同一桥臂的两个开关管驱动信号互补；分别通过第一开关管Q1的驱动信号与半桥模 块阀组驱动信号的移相角 和占空比d对中间级电压VM和低压侧输出电压VL进行控制，同时实现桥臂电感Larm1和Larm2两端电压匹配和功率调节。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| （"A ZVS Bidirectional DC–DC Converter With Phase-Shift Plus PWM Control Scheme";Huafeng Xiao等;IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS;第23卷(第2期);813-823页 * |
| "模块化多电平直流变压器回流功率与容错控制研究";孙冠群;万方数据库;11-27页 * |
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